разъемный коленчатый вал

Формула изобретения

1. Разъемный коленчатый вал для двигателя внутреннего сгорания, состоящий из соединенных между собой элементов, образующих щеки, коренные и шатунные шейки коленчатого вала, отличающийся тем, что коленчатый вал состоит по меньшей мере из двух пар составных элементов и по меньшей мере одной шатунной шейки, при этом первый из указанных составных элементов представляет собой щеку, выполненную заодно с втулкой, а второй составной элемент представляет собой щеку, выполненную заодно со стержнем, форма поперечного сечения которого соответствует форме отверстия втулки первого составного элемента, причем упомянутый стержень установлен внутри указанной втулки, за исключением первой и последней щеки коленчатого вала, а сам стержень лишен возможности поворота относительно втулки, указанная втулка образует коренную шейку коленчатого вала, при этом в щеке каждого составного элемента выполнено отверстие с возможностью установки в нем упомянутой шейки для соединения пар составных элементов между собой с образованием коленчатого вала.

2. Коленчатый вал по п.1, отличающийся тем, что упомянутый стержень второго составного элемента запрессован внутрь втулки первого составного элемента.

3. Коленчатый вал по одному из пп.1 и 2, отличающийся тем, что в упомянутом отверстии в щеке каждого составного элемента и на концах шатунной шейки выполнена резьба с возможностью создания резьбового соединения между шейкой и щеками.

4. Коленчатый вал по одному из пп.1 - 3, отличающийся тем, что в упомянутом отверстии в щеке каждого составного элемента выполнен по меньшей мере один паз, а на каждом конце шатунной шейки выполнен соответствующий выступ с образованием шлицевого соединения между шатунной шейкой и соответствующими щеками составных элементов.

5. Коленчатый вал по одному из пп.1 - 4, отличающийся тем, что в упомянутом отверстии в щеке каждого составного элемента выполнен по меньшей мере один выступ, а на каждом конце шатунной шейки выполнен соответствующий паз с образованием шлицевого соединения между шатунной шейкой и соответствующими щеками составных элементов.

6. Коленчатый вал по одному из пп.1 - 5, отличающийся тем, что на первом составном элементе выполнен по меньшей мере один выступ, а во втором составном элементе по меньшей мере одно отверстие с фаской с возможностью вхождения указанного выступа в указанное отверстие при соединении составных элементов и расклепывания выступа первого составного элемента в упомянутой фаске второго составного элемента.

7. Коленчатый вал по п.6, отличающийся тем, что конец упомянутого выступа первого составного элемента выходит за плоскость второго составного элемента при соединении составных элементов друг с другом.

8. Коленчатый вал по одному из пп.1 - 7, отличающийся тем, что средняя часть шатунной шейки, на которую устанавливается подшипник, имеет больший диаметр, чем концы шатунной шейки, при этом указанные концы шатунной шейки выполнены с возможностью установки с натягом в соответствующие отверстия в щеках составных элементов.

9. Коленчатый вал по пп.1 - 8, отличающийся тем, что на внутренней поверхности упомянутого отверстия в щеке каждого составного элемента выполнена канавка, в которой установлена пружинная шайба для ограничения продольного перемещения шатунной шейки.

10. Коленчатый вал по одному из пп.1 - 9, отличающийся тем, что упомянутые щеки коленчатого вала выполнены с возможностью ограничения продольного перемещения подшипников качения, устанавливаемых на коренной и шатунной шейке коленчатого вала.

11. Коленчатый вал по п.10, отличающийся тем, что для упомянутого ограничения перемещения подшипников шейки снабжены шайбами с отверстиями.

12. Коленчатый вал по одному из пп.1 - 11, отличающийся тем, что на упомянутой шатунной шейке выполнены две посадочные поверхности для установки подшипника на каждую из указанных посадочных поверхностей с возможностью соединения шатунной шейки с двумя шатунами, при этом между посадочными поверхностями выполнен буртик.

13. Коленчатый вал по одному из пп.1 - 12, отличающийся тем, что на шатунную шейку напрессована втулка.

14. Коленчатый вал по одному из пп.1 - 13, отличающийся тем, что в упомянутом стержне второго составного элемента выполнено резьбовое отверстие, при этом первый составной элемент дополнительно скреплен со вторым составным элементом с помощью болта, установленного в указанном резьбовом отверстии стержня со стороны первого составного элемента, причем головка болта расположена в соответствующей выемке в первом составном элементе.

15. Коленчатый вал по одному из пп.1 - 14, отличающийся тем, что первый составной элемент дополнительно скреплен со вторым составным элементом с помощью сварки.

16. Коленчатый вал по одному из пп.1 - 15, отличающийся тем, что стержень второго составного элемента выполнен укороченным, при этом между торцом указанного стержня и втулкой соответствующего первого составного элемента выполнено сварное соединение.

17. Коленчатый вал по одному из пп.1 - 16, отличающийся тем, что отверстие втулки первого составного элемента снабжено фаской, а конец стержня второго составного элемента выходит за плоскость втулки первого составного элемента с возможностью расклепывания упомянутого конца стержня в указанной фаске.

18. Коленчатый вал по одному из пп.1 - 17, отличающийся тем, что стержень второго составного элемента выполнен укороченным, а на его конце выполнена хвостовая резьба.

19. Коленчатый вал по одному из пп.1 - 18, отличающийся тем, что упомянутая шатунная шейка коленчатого вала выполнена с внутренним отверстием.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области автомобилестроения и может быть использовано в бензиновых и дизельных двигателях внутреннего сгорания.

Известно техническое решение - кривошипно-шатунный механизм а.с. СССР N 1551858. Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при создании поршневых машин.

Целью изобретения является повышение надежности. На шатунную шейку 2 коленчатого вала 1, имеющую сечение в форме двух сегментов, симметричных относительно общей хорды, установлен вкладыш 6, имеющий форму, дополняющее сечение шатунной шейки 2 до круга. Это позволяет установить в шатун 4 подшипник 5 качения, а на коренную шейку 3 - подшипник 7 качения.

Поскольку во внутреннее кольцо подшипника 5 устанавливают вкладыш 6, значит для установки дополнительного вкладыша 6 есть зазор (люфт), а при таких соединениях шатунных шеек 2 коленчатого вала 1 надежная работа двигателя не будет обеспечена, т.к. такие соединения работают только в условиях, где есть отсутствие люфта-зазора, а само соединение глухое (без подвижки, качения и перемещения даже в сотых долях миллиметра).

Наиболее близким техническим решением является составной коленчатый вал двигателя внутреннего сгорания (в дальнейшем Д.В.С.) а.с. СССР N 1723381 кл. F 16 C 3/10 1992 г.).

Коленчатый вал состоит из колен, выполненных каждое в виде щеки с изготовленными совместно с ней шатунной и коренной шейками: щек с отверстиями для размещения с натягом концевых частей коренной и шатунной шеек, пластин с параллельными гранями. В щеке выполнен равноудаленный от ее торцов глухой паз и резьбовое отверстие для размещения в нем винта при разборке коленчатого вала. На концевых частях шеек выполнены тангенциальные пазы. Пластина установлена свободно в пазу и с натягом по тангенциальным поверхностям пазов. Шатунные шейки могут быть выполнены для размещения на них двух шатунов, а щека - в виде диска для возможности размещения на диске подшипника качения. Подшипники качения могут быть установлены также на шатунных шейках. В щеке может быть установлен фиксатор, например, в виде штифта, препятствующий выпадению пластины. При выполнении щеки в виде диска таким фиксатором является кольцо коренного подшипника.

Недостатками прототипа является определенная сложность в создании как самих частей коленчатого вала, так и малая надежность сочленения вала путем пластин с натяжными винтами и упорными штифтами.

Цель изобретения состоит в том, чтобы повысить К.П.Д. Д.В.С. путем замены подшипников скольжения на подшипники качения, создать разъемный коленчатый вал, в котором можно заменять изношенные элементы и скорость потребления топлива на единицу выработанной Д.В.С. энергии (л.с.).

Поставленная задача решается путем создания конструкции разъемного (разборного - этот термин также применим) коленчатого вала, который изготавливается из составных элементов, причем один из составных элементов разъемного коленчатого вала состоит из щеки, выполненной (изготовленной) заодно со стержнем, и представляет собой единую монолитную деталь (в дальнейшем для сокращения применяется термин щека-стержень или второй составной элемент, изображен на фиг. 1). Первый составной элемент коленчатого вала представляет щеку, выполненную заодно со втулкой, и также представляет собой единую монолитную деталь, при этом щека, выполненная заодно со втулкой, имеет сквозное отверстие, проходящее через щеку, выполненную заодно со втулкой (за исключением первой и последней щеки коленчатого вала). В дальнейшем щека, выполненная заодно со втулкой, для сокращения вводится термин щека-втулка, что является первым (второй - первый понятия условные) составным элементом, изображена на фиг. 2, причем форма поперечного сечения стержня соответствует форме отверстия втулки, а сам стержень, выполненный заодно со щекой, имеет по отношению к отверстию втулки, выполненной заодно со щекой - плюс, т.е. его поперечные размеры (стержня) чуть больше размеров отверстия втулки. На щеку-втулку (сокращенно) устанавливается подшипник качения любого типа (например, шариковый, роликовый, игольчатый, двухрядный и т.д.). Соединение щеки-стержня, со щекой-втулкой, т.е. соединения элементов, деталей коленчатого вала производится методом впрессовки стержня во внутреннее отверстие втулки, с глухой насадкой, плотно с натягом, жестко, без малейшего люфта, таким образом, получается коренная составная шейка коленчатого вала с подшипником качения, при этом на щеках - составных элементах (деталях) имеются буртики - кольцевые выступы, ограничивающие продольное смещение подшипника, которые могут быть заменены съемными шайбами, надеваемыми на стержень и втулку-щеки.

Шатунная шейка разборного коленчатого вала представляет собой деталь в виде металлического пальца, который своими концами входит в два калиброванных отверстия противоположных щек (палец может иметь внутри сквозное отверстие по принципу поршневого пальца), перед посадкой пальца в отверстия противоположных щек (при сборке составного коленчатого вала) на него плотно без люфта с тугой подшипниковой посадкой по центру пальца насаживается шатунный подшипник качения. В случае, когда палец (в дальнейшем шатунная шейка) запрессован во внутреннее кольцо подшипника качения с натягом 0,01 - 0,04 (по принципу запрессовки пальца в шатуне. "Автомобили ВАЗ". Москва. "Транспорт" 1974 г. стр. 20), при этом по сторонам подшипника могут быть установлены шайбы, надетые с двух сторон на шатунную шейку, чтобы подшипник не касался щек, между которыми он расположен, при этом в пазах противоположных щек не устанавливаются ограничительные пружинные шайбы, препятствующие перемещению шатунной шейки, а когда на шатунную шейку посажен подшипник качения со скользящей посадкой, то по двум сторонам подшипника устанавливаются шайбы, чтобы подшипник не касался щек коленчатого вала, при этом в пазах щек устанавливаются ограничительные пружинные шайбы, препятствующие продольному перемещению шатунной шейки. Щеки также могут иметь буртик - кольцевой выступ, вместо шайб, которые надеваются на шатунную шейку по обе стороны подшипника; этот кольцевой выступ имеет операционную величину (высоту выступа) и диаметр в зависимости от величины коленчатого вала и типа (размеров) устанавливаемого на шатунную шейку подшипника качения. Шатунная шейка может быть увеличена в диаметре под внутреннее кольцо подшипника или под другой тип подшипника качения (например, подшипник качения без внутреннего кольца) двумя способами - посадкой втулки либо изготовлением -, причем шатунная шейка может быть изготовлена - удлинена под посадку на нее двух подшипников для размещения на шатунной шейке двух шатунов, при этом подшипники посредине шатунной шейки разгорожены буртиками или съемной шайбой. Шатунная втулка может быть изготовлена с двухсторонней резьбой по концам, в этом случае соединение противоположных щек с шатунной шейкой выполнено резьбовым, а резьбовое соединение щек и шатунной шейки выполнено таким образом, что при вращении коленчатого вала шатунная шейка работает на закручивание.

Коленчатый вал не имеет осевого продольного перемещения, а щеки могут иметь различную геометрическую конфигурацию с противовесами, автор-заявитель для простоты изображения щек условно выбрал их геометрическую форму в виде эллипса.

Концы шатунных шеек, если они не имеют резьбы, входят в отверстия щек плотно, с натягом, без люфта.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется фиг. 1 - 27.

На фиг. 1 представлен составной элемент коленчатого вала, это монолитная деталь, имеющая щеку 1, выполненную заодно со стержнем 2, буртик-кольцевой выступ 3 (или съемная шайба), отверстие 4 под шатунную шейку (палец) и канавка 5 для установки пружинной шайбы, ограничивающей продольное перемещение шатунной шейки (показана пунктиром); это второй составной элемент коленчатого вала (сокращенно в дальнейшем щека-стержень), а составные элементы коленчатого вала условно названы "первый и второй".

Фиг. 2 представляет первый составной элемент коленчатого вала, это монолитная деталь, где щека 6 выполнена заодно со втулкой 7, буртик-кольцевой выступ 8, ограничивающий перемещение подшипника качения на втулке 7, отверстие под шатунную шейку 9 и канавка 10 для установки пружинной шайбы, ограничивающей продольное перемещение шатунной шейки, подшипник качения 11, кроме этого в щеке 6, выполненной заодно со втулкой 7, пунктиром обозначено отверстие, в которое впрессовывается стержень (крестовидной формы поперечного сечения) второго составного элемента коленчатого вала, при этом стержень второго составного элемента имеет форму поперечного сечения, соответствующую форме отверстия втулки и щеки первого составного элемента коленчатого вала (первый составной элемент - это щека 6, выполненная заодно со втулкой 7, в дальнейшем сокращено щека-втулка).

Фиг. 3 изображает собранную из составных элементов (первый и второй) коренную шейку коленчатого вала, при этом стержень 2, выполненный заодно со щекой 1, впрессован плотно, с натягом без люфта, в отверстие, проходящее через втулку 7 и щеку 6, выполненную заодно со втулкой 7.

Фиг. 4 изображает второй составной элемент коленчатого вала - вид сбоку; щека 1, выполненная заодно со стержнем 2, при этом стержень 2 имеет крестовидную форму поперечного сечения, а цифрой 3 обозначен буртик-кольцевой выступ, калиброванное отверстие 4, куда входит один конец шатунной шейки, кольцевой выступ 3 имеется на щеке 1. Фиг. 4 - единая монолитная деталь коленчатого вала.

Фиг. 5 изображает первый составной элемент коленчатого вала - вид сбоку, где щека 6 выполнена заодно со втулкой 7, на щеке 6 имеется буртик-кольцевой выступ 8, а сквозное отверстие 12 крестовидной формы проходит через втулку 7 и щеку 6, а в калиброванное отверстие 9 входит один конец шатунной шейки, при этом первый составной элемент так же, как и второй составной элемент коленчатого вала, является монолитными двигателями.

Фиг. 6 - 11 показаны в качестве примера, какие формы поперечного сечения стержней могут быть - их тысячи, поскольку их многообразие (тысячи), то можно перечислить и ряд других поперечных сечений стержней - ромб, Т-образное, крестовидное, пятиугольник, шестиугольник, семиугольник, ..., n-угольник и т.д.

На фиг. 12 представлена шатунная шейка 13, выполненная в виде поршневого пальца, на ней посажен подшипник 11 качения, а внутри шейки 13 имеется сквозное отверстие 14.

На фиг. 13 показана удлиненная шатунная шейка 15 без внутреннего отверстия, с двумя посаженными подшипниками 11 качения (под два шатуна) и буртиком 16 (или скользящей шайбой), установленным между подшипниками.

На фиг. 14 показана часть щеки 6 - втулки 7 или часть щеки 1 - стержня 2, где отверстие 17 под один конец шатунной шейки выполнено с резьбой.

Фиг. 15 поясняет, что шатунная шейка (на фиг. 15 не обозначена) с двух концов имеет резьбу - 18, при помощи которой она соединяется с щеками (щека 1 - щека 6) разъемного коленчатого вала, а по центру шейки плотно, без люфта с натягом, запрессован подшипник 11 качения.

На фиг. 16 показана шатунная шейка 19 с втулкой 20, посаженной плотно, без люфта с натягом, по центру шатунной шейки 19, при этом на втулку 20 посажен подшипник 11 качения, причем когда речь идет о подшипниках качения, применяемых в разборном коленчатом вале, то во всех случаях имеются варианты любого вида подшипника (а их очень много), поэтому автор-заявитель имеет в виду тип подшипника качения, который в данном конкретном случае является наиболее оптимальным.

На фиг. 17 отображен тип щеки-втулки, причем в щеке имеется выемка 21 с перегородкой 22, в которой выполнено отверстие, причем в данном случае фиг. 18, прямоугольный стержень 23 с резьбой 24 укорочен и плотно с натягом без люфта вставлен в отверстие щеки до перегородки 22, а через выемку и отверстие в перегородке 22 стержень 23 с резьбой 24 натягивается с торца натяжным винтом, который вворачивается во внутреннюю резьбу отверстия 24 (натяжной болт не показан, просто с торца в выемке щели 21 утопает головка болта, закручиваемая торцевым ключом).

На фиг. 19 показано, что стержень 25, проходящий через втулку щеки (на фиг. 19 втулка не показана) и саму щеку 26, дополнительно с торца стержня, закрепляется шайба без отверстия - "пятаком" (на фиг. 19 заштрихован "пятак"), привариваемой к торцу стержня 25 и щеки 26 методом контактной сварки; (хотя конструктивное решение может быть и не требует дополнительных закреплений, поскольку соединение щеки, выполненной заодно со стержнем, с щекой, выполненной заодно со втулкой, производится во всех случаях, как описано выше, плотно, без люфта, с гарантированным натягом). На фиг. 20 изображен укороченный стержень 27 щеки (на фиг. 20 не показано), который закреплен во втулке-щеке 28 методом сварного шва 29.

Фиг. 21 поясняет, что в калиброванных отверстиях щек 30, где впрессовываются концы шатунных шеек, при определенных посадках подшипников качения пазы и пружинные шайбы могут отсутствовать; при этом концы шатунных шеек вставляются в отверстия щек с натягом, плотно, без люфта, с гарантией от проворота конца шатунной шейки в отверстии щеки.

Фиг. 22 изображает, что щека 31, изготовленная совместно со втулкой, имеет стержни 32, которые при впрессовке плотно, с натягом, без люфта впрессовываются в отверстия щеки, изготовленной совместно со стержнем, стержни 32 работают на срез и предотвращают возможность поворота стержня, впрессованного во втулку, относительно втулки, изготовленной совместно со щекой, при этом форма поперечного сечения стержня, впрессованного во втулку, изготовленную совместно со щекой, может быть круглой формы.

Фиг. 23 поясняет, когда стержень 33, изготовленный заодно со щекой, впрессован во втулку, изготовленную заодно со щекой 34, у которой снята фаска, в этом случае при запрессовке у стержня 33 образуется расклепывание выступа стержня 33. Такое же соединение возможно, когда дополнительные выступы стержней 32 (фиг. 22), изготовленные заодно со втулкой и щекой, выходят за плоскость щеки, изготовленной заодно со стержнем, и также при впрессовке расклепываются.

На фиг. 24 показаны отверстия 35 щек, куда плотно, с натягом, без люфта впрессовывается конец шатунной шейки, при этом отверстие имеет выступы 36 (выступы), а коренная шейка при этом имеет паз (пазы) или наоборот. (Такое шлицевое соединение гарантирует непроворачивание шатунной шейки в щеке коленчатого вала), причем щеки в отверстиях могут иметь паз (пазы), а шатунные шейки выступ (выступы).

На фиг. 25 показано, что в отверстиях щеки 37, изготовленной заодно со стержнем, впрессованы стержни 38, изготовленные заодно со втулкой, при этом стержни 38 работают на срез и не дают возможности поворота стержня, впрессованного во втулку, относительно втулки, изготовленной совместно со щекой, что, в конечном итоге, приводит к передаче более сильного крутящего момента на коленчатом валу и применение щеки, изготовленной заодно со стержнем, форма поперечного сечения которого круглой формы.

На фиг. 26 изображена щека 39 коленчатого вала с отверстием под впрессовку конца шатунной шейки, при этом щека имеет буртик-кольцевой выступ (или съемную шайбу), чтобы подшипник качения, установленный на шатунной шейке не касался щеки.

На фиг. 27 изображена шатунная шейка с увеличенным диаметром под подшипник качения, при этом увеличенный диаметр может быть удлинен под посадку двух подшипников, а следовательно, эти подшипники могут быть закреплены, соединены с двумя шатунами.

При таких соединениях, как изложено выше, коленчатый вал двигателя внутреннего сгорания может передавать любые нагрузки, включая и ударные (детонация топлива в цилиндрах Д.В.С.), при этом если торец стержня, выполненный заодно со щекой, не закреплен сваркой или расклепыванием, то такую коренную шейку возможно разобрать выпрессовкой стержня с подогревом втулки, выполненной заодно со щекой, а после разборки снять изношенный подшипник и заменить его на новый, и впрессовать заново щеку, изготовленную со стержнем во втулку, изготовленную заодно со щекой, что и приведет к образованию коренной шейки с заменой изношенного подшипника качения на новый, не изношенный подшипник качения, причем щека, выполненная (или изготовленная - эти термины взаимозаменяемы) заодно со втулкой, может быть использована в качестве внутреннего кольца подшипника качения; так как на поверхность втулки надевается сепаратор с подшипником, причем внутренним концом которого является внешняя поверхность втулки, выполненной заодно со щекой, а на сепаратор с подшипником надевается внешнее кольцо подшипника, которое закрепляется в блоке Д.В.С. крышкой коренного подшипника.

Возможен иной вариант замены изношенных коренных подшипников, когда соединенные щека, изготовленная совместно со стержнем, и щека, изготовленная совместно (совместно-заодно, автор не видит принципиальной разницы в данных терминах) со втулкой, на которой находится подшипник качения, разбираются путем снятия шатунных шеек, при этом просто заменяется собранная шатунная шейка, состоящая из двух элементов, вместе с установленным на втулке изношенным подшипником качения.

Щека, изготовленная совместно - заодно со стержнем, может иметь укороченный стержень, концом которого служит резьба в виде выступающего болта, резьбовой конец стержня проходит через перегородку 22 щеки, изготовленной совместно со втулкой, и натягивается гайкой в выемке щеки 21 (фиг. 17) (принципиально это один из вариантов закрепления стержня при помощи резьбового соединения).

Первая и последняя щеки коленчатого вала изготавливаются совместно со втулками, на которых устанавливаются подшипники качения, при этом передняя коренная шейка (которой служит втулка, выполненная заодно с шейкой) имеет носок, а задняя коренная шейка (которой служит также втулка, выполненная заодно с щекой) имеет отверстия для крепления маховика.

Щека, изготовленная заодно со стержнем, имеет отверстия, через которые проходят болты, а резьбы под эти болты находятся во втулке, изготовленной заодно с щекой, что также служит дополнительным соединением двух элементов (первого и второго), при этом головки болтов не выступают за пределы щеки, изготовленной заодно со стержнем.

Разъемный коленчатый вал работает следующим образом.

Давление на цилиндр передается на поршень, соединенный с шатуном, шатун через подшипник качения, находящийся на шатунной шейке, передает усилие, полученное от поршня, на щеки, которые, в свою очередь, соединены методом впрессовки с образованием коренной шейки (в данном случае имеется в виду Д. В. С. , имеющий, как минимум, два цилиндра и более). Эти шейки (коренные) являются опорными и посредством их передается крутящий момент, при этом на конкретных шейках так же, как и на шатунных шейках, установлены подшипники качения. Разъемный коленчатый вал передает крутящий момент двигателя внутреннего сгорания трансмиссии автомобиля, трактора, судна.